大跨度雙層曲線斜拉橋人致振動(dòng)減振優(yōu)化與實(shí)測驗(yàn)證

華旭剛　溫青　陳政清　楊勇　王文熙　牛華偉

摘要：針對一座主跨200 m的人車分離雙層橋面曲線斜拉橋的人致振動(dòng)問題，提出了應(yīng)用連桿提高結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）增強(qiáng)阻尼的聯(lián)合減振方案。研究表明：在人行橋主梁與車行橋主梁之間設(shè)置三對連桿可以顯著提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，使人行橋位于人致振動(dòng)敏感頻率內(nèi)的模態(tài)數(shù)由8階減少為5階。該方案顯著減小了減振裝置成本，將采用純TMD方案時(shí)的100 t質(zhì)量降低至40 t。通過動(dòng)力試驗(yàn)評估了聯(lián)合減振方案的減振效果。結(jié)果表明：安裝TMD后，人行橋橫向加速度由150人時(shí)的0.2 m/s2降低為400人時(shí)的0.06～0.08 m/s2；側(cè)向模態(tài)阻尼比提高6倍以上，豎彎模態(tài)阻尼比達(dá)到5%，沒有觀測到大幅振動(dòng)現(xiàn)象。最后，探討了內(nèi)摩擦對水平和豎向TMD性能的影響。

關(guān)鍵詞：人行橋；人致振動(dòng)；振動(dòng)控制；調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；電渦流阻尼

1.概述

隨著人行橋跨度的增大、輕質(zhì)高強(qiáng)材料的應(yīng)用以及對橋梁美學(xué)和城市景觀的追求，人行橋人致振動(dòng)問題日益突出，減振設(shè)計(jì)已成為大跨度現(xiàn)代人行橋設(shè)計(jì)的一部分。人行橋人致振動(dòng)的激振源是動(dòng)態(tài)步行力荷載，該荷載具有明顯的周期性和隨機(jī)性，有豎向、側(cè)向和縱向三個(gè)分量。豎向步行力的頻率主要分布在2 Hz左右，橫向步行力為1 Hz左右。因此，避免結(jié)構(gòu)的固有頻率落入敏感頻率范圍內(nèi)是人致振動(dòng)控制的方法之一，稱為頻率調(diào)整法。該方法適用于中小型橋梁，主要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，以提高結(jié)構(gòu)的剛度為主。然而，這一措施往往很不經(jīng)濟(jì)，影響橋梁的美觀和使用功能。例如，長40 m的單跨人行橋，其經(jīng)濟(jì)梁高約為1.0～1.2 m左右，豎彎基頻約為2.0 Hz，然而，為滿足中國人行橋設(shè)計(jì)規(guī)范中給定的豎彎基頻超過3 Hz的需要，某主跨41 m的人行橋采用了2 m梁高的設(shè)計(jì)方案，使得橋梁顯得非常臃腫，嚴(yán)重影響美觀。

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)，振幅與阻尼成反比，增大阻尼可以降低振幅。因而通過附加阻尼裝置提高結(jié)構(gòu)阻尼是抑制人致振動(dòng)行之有效的常用方法。在人行橋的各種阻尼減振裝置中，以TMD應(yīng)用最多。日本T橋應(yīng)用水箱TLD/TMD進(jìn)行了人致振動(dòng)的臨時(shí)減振；英國倫敦千禧橋（The Millennium Bridge）聯(lián)合使用TMD和黏滯阻尼器控制人致側(cè)向和豎向振動(dòng)，設(shè)置減振裝置后，其主跨一階側(cè)彎模態(tài)的阻尼比達(dá)到20%以上。葡萄牙的the Pedroe Ines人行橋安裝了7套TMD抑制1階側(cè)向和6階豎向模態(tài)人致振動(dòng)，西班牙的Valladolid Science Museum Footbridge通過安裝TMD或AMD控制人致振動(dòng)，中國某美術(shù)館連橋和合肥跨懷寧路人行橋均采用TMD控制人致振動(dòng)。

傳統(tǒng)TMD通常采用黏滯流體阻尼器作為阻尼元件，由于初始剛度及阻尼器安裝問隙等影響，這類阻尼元件會提高TMD的啟動(dòng)加速度。然而控制人行橋水平振動(dòng)的TMD往往要求在毫米級位移下即可發(fā)揮減振作用。電渦流阻尼是一種非接觸式、無機(jī)械摩擦的阻尼裝置，它基于導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度方向相反的阻尼力。將此裝置作為TMD的阻尼元件，不會提高TMD的啟動(dòng)加速度，也不會附加剛度。電渦流TMD相關(guān)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用結(jié)果表明，電渦流TMD具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)工程結(jié)構(gòu)減振控制要求。

本文報(bào)道了綿陽一號橋人致振動(dòng)減振設(shè)計(jì)優(yōu)化與減振效果評估。綿陽一號橋是一座三跨斜拉橋，跨徑布置為100 m+200 m+100 m，如圖1所示。為了滿足該地區(qū)密集人口通行的需求，該橋采用雙層橋面設(shè)計(jì)：下層橋面為車行橋混凝土箱梁，梁高3m，寬28 m；上層為人行橋鋼箱梁，梁高2 m，寬6m，主跨采用s型曲線設(shè)計(jì)，從車行橋的一側(cè)跨越到另一側(cè)。車行橋橋面和人行橋橋面各由52根和16根單索面斜拉索支撐。前期研究表明：該橋人致振動(dòng)問題突出，需要采取減振措施。

結(jié)合該橋雙層橋面布置特征，提出了應(yīng)用連桿提高結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)用TMD增強(qiáng)阻尼的聯(lián)合減振方案。本文詳細(xì)描述了聯(lián)合減振方案中連桿參數(shù)的選取、TMD參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、以及基于動(dòng)力測試結(jié)果的TMD頻率調(diào)諧等過程，通過動(dòng)力試驗(yàn)評估了聯(lián)合減振方案的減振效果。最后分析了內(nèi)摩擦對水平及豎向TMD的影響。